Apparecchio per prove di compressione ASTM D695 modificato (Boeing BSS 7260)

Modello n. WTF-BO (acciaio inox)

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Fig. 1: Apparecchio per prove di compressione D695 modificato

Questo apparecchio è usato per testare i materiali compositi in compressione monoassiale. Il pezzo piatto mostrato nella foto di sinistra della Fig. 1 è una piastra di carico in acciaio temprato, da posizionare tra l'estremità superiore sporgente del provino e la piastra di carico piatta della macchina di prova, per proteggere la piastra di carico.

In realtà non esiste uno standard ASTM che disciplini il metodo di prova di compressione D695 modificato. Lo standard ASTM D695, pubblicato originariamente nel 1942, è destinato principalmente alle materie plastiche non rinforzate, come suggerisce il titolo (riferimento 1), e utilizza un metodo di prova a osso di cane, non tamponato, piatto provino. Il metodo di prova di compressione modificato D695 è definito nei documenti Boeing (riferimenti 2 e 3) e nel metodo di prova raccomandato SACMA SRM 1R-94 (riferimento 4).

Anche se non è uno standard ASTM, questo metodo di prova è ampiamente utilizzato all'interno della comunità dei materiali compositi al momento, con ragionevole successo (Riferimenti 5 attraverso 7).

Il provino a lato rettilineo è lungo 3,18 pollici e largo 0,5 pollici e lo spessore dipende dal materiale da testare. Per un composito unidirezionale, in genere si usa uno spessore dell'ordine di 0,040 pollici. I provini utilizzati per determinare la resistenza alla compressione sono incisi su ciascuna estremità, in genere con un tessuto di vetro o materiale epossidico. La distanza tra le linguette (la lunghezza del calibro) è specificata in 0,188 pollici. A causa della lunghezza molto ridotta del calibro, non è pratico montare la strumentazione per misurare le deformazioni. Pertanto, sono previste due prove.

Un provino senza linguette viene caricato fino a una deformazione minima dello 0,3%, utilizzando un estensimetro o un estensore per misurare la deformazione. Questo permette il calcolo di un modulo di compressione. Un secondo campione dello stesso materiale, ma con le linguette, viene poi testato fino alla rottura, per determinare la resistenza alla compressione. Se si tentasse di caricare il provino senza linguette fino alla rottura, le estremità del provino si schiaccerebbero tipicamente prima che il materiale fallisca in una regione lontana dalle estremità. Quindi, non si otterrebbe una vera resistenza alla compressione per il materiale.

Per poter eseguire le due prove richieste, l'attrezzatura è dotata di due piastre di supporto esterne (i pezzi a forma di I mostrati nella fotografia di destra della Fig. 1), oltre alla piastra di supporto interna mostrata montata sulla base dell'attrezzatura. Le scanalature nei pezzi utilizzati per la determinazione della resistenza (i pezzi mostrati montati nell'apparecchio assemblato nella fotografia di sinistra della Fig. 1) corrono per tutta la lunghezza. È prevista anche una seconda piastra di supporto esterna (in primo piano nella fotografia di sinistra), in cui le scanalature sono ridotte sulla sezione centrale di 0,5 pollici, per fornire spazio a un estensimetro e ai suoi fili conduttori su una superficie del provino. Quando si misurano le deformazioni, si usa un provino non nastrato; un provino nastrato di 0,188 pollici di lunghezza non offre uno spazio adeguato per montare un estensimetro.

Come opzione, è possibile fornire un quarto supporto laterale, anch'esso con le scanalature ridotte sulla sezione centrale di 0,5 pollici, in modo da poter montare gli estensimetri su entrambe le superfici del provino. Tuttavia, i doppi estensimetri sono normalmente utilizzati solo quando la deformazione del provino è un problema. Quando si determina il modulo di compressione, non è necessario applicare sollecitazioni elevate, riducendo al minimo il problema dell'instabilità.

Gli elementi di supporto laterali e le piastre portanti sono realizzati in acciaio inox 440C temprato. In questo modo si riduce al minimo la possibilità che si deformino in modo permanente (e quindi non funzionino) quando il provino cede, spesso con una compressione relativamente violenta.

Un'altra opzione è un accessorio di indicizzazione del campione, come mostrato nella Fig. 2 qui sotto. Questo accessorio di indicizzazione è usato per centrare il campione tra i supporti laterali. Come indicato, si avvita sul lato dell'attrezzatura standard.

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Fig. 2: Accessorio di indicizzazione del provino per il dispositivo di prova di compressione D695 modificato.

Per i clienti sono state progettate e realizzate anche configurazioni speciali di attrezzature. Ad esempio, la Fig. 3 mostra un'attrezzatura speciale progettata per testare un provino di dimensioni reali, ma che si adatta agli stretti confini di un forno a tubi. Questo particolare dispositivo è realizzato in superlega di nichel Inconel 718 e presenta una piastra di copertura anteriore scanalata per consentire l'accesso alla superficie del provino da parte di un estensimetro ottico.

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Fig. 3: Apparecchio standard modificato D695 a sinistra, apparecchio speciale per alte temperature a destra.

La Fig. 4 confronta l'attrezzatura SACMA SRM 1R-94 con l'attrezzatura standard D695 modificata. L'attrezzatura SACMA è più pesante, ma prova la stessa dimensione del provino nello stesso modo.

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Fig. 4: Apparecchio SACMA SRM 1R-94 a sinistra, apparecchio standard modificato D695 a destra.

Anche gli standard internazionali stanno diventando sempre più predominanti all'interno della comunità di test globale. La maggior parte di questi standard sono piccole modifiche degli standard ASTM, con dimensioni leggermente diverse ed espresse in unità S.I.. Il dispositivo mostrato a sinistra nella Fig. 5 è un esempio tipico. I principi di funzionamento sono gli stessi dell'attrezzatura D695 modificata dal Boeing, mostrata a destra, anche se la base più lunga e i supporti laterali più spessi la rendono diversa.

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Fig. 5: Apparecchio per prove di compressione standard europeo prEN2850 con carico finale (sinistra), confrontato con l'apparecchio per prove di compressione D695 modificato da Boeing (destra).

Fonti di informazioni aggiuntive:

1) Standard ASTM D695-10 (2010), "Compressive Properties of Rigid Plastics", American Society for Testing and Materials, West Cohshohocken, Pennsylvania (prima edizione nel 1942).

2) Boeing Specification Support Standard BSS 7260, "Advanced Composite Compression Tests", The Boeing Company, Seattle, Washington (originariamente pubblicato nel febbraio 1982, rivisto nel dicembre 1988).

3) Documento Boeing D888-10026, "Test Methods for Advanced Composites, Revision A, Section C.2, The Boeing Company, Seattle, Washington, gennaio 1996.

4) SACMA Recommended Method SRM 1R-94, "Compressive Properties of Oriented Fiber-Resin Composites," Suppliers of Advanced Composite Materials Association, Arlington, Virginia, 1994.

5) D.F. Adams e E.Q. Lewis, "Influenza della lunghezza del provino e del metodo di carico sulla resistenza alla compressione assiale di un materiale composito unidirezionale". Meccanica sperimentale, Vol. 31, No. 2, Marzo 1991, pp. 14-20.

6) D.F. Adams, "Current Status of Compression Testing of Composite Materials," Proceedings of the 40th International SAMPE Symposium, May 1995, pp. 1831-1843.

7) J.S. Welsh e D.F. Adams, "Current Status of Compression Test Methods for Composite Materials," Giornale SAMPE, Vol. 33, No. 1, gennaio 1997, pp. 35-43.